全球定位系统与地理信息系统.pptx

本 节 要 点全球定位系统与地理全球定位系统与地理信息系统的概念及特信息系统的概念及特点点GPSGPS系统和系统和GISGIS系统的系统的构成与功能构成与功能GPSGPS和和GISGIS在物流中的在物流中的应用应用 1999 年年 3 月月 27 日，北约部队一架日，北约部队一架 F 一一 117A 隐形战斗机被南联盟防空部队击落。隐形战斗机被南联盟防空部队击落。飞行员跳伞后在脚触地的一刹那，通过手持飞行员跳伞后在脚触地的一刹那，通过手持型信号发射器发出紧急呼救信号，当间谍卫型信号发射器发出紧急呼救信号，当间谍卫星把呼救信号传送到北约空袭南联盟指挥所星把呼救信号传送到北约空袭南联盟指挥所后，美军立即安排了救援行动。后，美军立即安排了救援行动。6 小时后，小时后，当一架当一架 EA 一一 6B 电子干扰机发现飞行员的电子干扰机发现飞行员的准确位置时，一架准确位置时，一架 MH 一一 6oG 搜索与救援搜索与救援直升机降落在飞行员面前，把飞行员接上直直升机降落在飞行员面前，把飞行员接上直升机并安全返回基地。回答下面问题。升机并安全返回基地。回答下面问题。案例分析问题：飞行员发出的呼救信号是（问题：飞行员发出的呼救信号是（）A A、GIS GIS 系统信号系统信号 B B、GPS GPS 系统信号系统信号 C C、RS RS 系统信号系统信号 D D、以上都不对、以上都不对 空间空间GPS系系1 1、卫星定位技术发展的回顾 19571957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，4040年来，人造地球卫星技术在通信、气象、年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。人造地球卫星的出现，首先了极广泛应用。人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视引起了各国军事部门的高度重视。19581958年底，美国海军武器实验室，开始着手建年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军海军导航卫星系统导航卫星系统”（Navy Navigation Navy Navigation Satellite SystemNNSSSatellite SystemNNSS）。由于该系统卫）。由于该系统卫星都通过地极，也称星都通过地极，也称“子午子午(Transit)(Transit)卫星系卫星系统统”。1964 1964年该系统建成，并在美国军方启用。年该系统建成，并在美国军方启用。19671967年美国政府批准该系统解密，提供民用。年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。具有良好的定位精度。尽管尽管NNSSNNSS在导航技术的发展中具有划时代的在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（意义，但由于该系统卫星数目少（5-65-6颗），颗），运行轨道低（运行轨道低（10001000km km）,观测时间长（观测时间长（1.51.5小小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测平均观测1-21-2天；精度低，单点定位精度天；精度低，单点定位精度3-53-5m m，相对定位精度相对定位精度1 1m m，使得在大地测量和地球动使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。力学研究方面的应用，也受到很大限制。为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，切要求，19731973年美国国防部开始组织陆海空三年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的这就是目前所称的“导航卫星授时测距导航卫星授时测距/全球全球定位系统定位系统”（Navigation Satellite Timing Navigation Satellite Timing and ranging/Global Positioning and ranging/Global Positioning SystemSystem）简称全球定位系统（）简称全球定位系统（GPSGPS）。）。为使为使GPSGPS具有高精度连续实时三维导航和定位具有高精度连续实时三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取了若干改善措施。了若干改善措施。2、GPS的概念 GPS(Global Positioning SystemGPS(Global Positioning System，简称，简称GPS)GPS)是利用卫星星座、地面控制部分和信是利用卫星星座、地面控制部分和信号接收机对监控对象进行动态定位和跟踪号接收机对监控对象进行动态定位和跟踪的系统。的系统。以美国以美国GPSGPS为例，全球定位系统是利用为例，全球定位系统是利用导航卫星进行测时和测距，使地球上的任导航卫星进行测时和测距，使地球上的任何用户都能确定自己所处的方位，它由一何用户都能确定自己所处的方位，它由一系列卫星组成，它们系列卫星组成，它们24h24h提供高精度的世提供高精度的世界范围的定位和导航信息。准确地说，它界范围的定位和导航信息。准确地说，它是由是由2424颗沿距地球颗沿距地球12000km12000km高度的轨道运高度的轨道运行的行的NAVSTAR GPSNAVSTAR GPS卫星组成，不停地发送卫星组成，不停地发送回精确的时间和它们的位置。回精确的时间和它们的位置。这些卫星需要地面监控系统随时监控。GPS接收器同时收听312颗卫星的信号，从而判断地面上或接近地面的物体的位置，还有它们的移动速度和方向等。3、GPS的特点（1）定位精度高采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。（2）观测时间短（见书P109）（3）测站间无须通视（4）可提供三维坐标（经、纬、高）能为用户提供连续、实时的三维位置、速度和精密时间。（5）操作简便（6）全天候作业（全球，全天候工作）（7）功能多，应用广。4、GPSGPS系统的构成及工作原理系统的构成及工作原理（1）GPS系统的构成系统的构成 GPS系统是利用无线电传输来定位，由卫星来发射定时信号、卫星位置等信息。一般由空间部分（GPS卫星）、地面监控部分和用户部分（GPS接收机）三部分组成。1）GPS空间部分GPS卫星星座 空间卫星系统由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55，轨道平面间距60。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30。事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过24颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4颗以上可视卫星。Gps工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测（最多可达11颗），实现连续、实时地导航和定位。GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。卫星星座的分布设置要保证地球上任何地点，任何时刻至少可以同时观测到四颗卫星。GPS卫星迄今已设计了三代。第一代Block1型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射了11颗，设计寿命5年，现已停止工作。第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共研制了28颗，设计寿命7.5年，从1989年初到1994年上半年发射完毕。第三代Block3和2R型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。GPS卫星的基本功能（补充）卫星的基本功能（补充）A、接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。B、利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。C、通过星载的原子钟提供精密的时间标准。D、向用户发送定位信息。E、在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。2）GPS地面监控部分 GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3个）A、监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。控制站的分布控制站的分布B、主控站 除协调和管理地面监控系统外，主要任务：）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。）启用备用卫星代替失效工作卫星。C、注入站：主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段波段GPS卫星卫星GPS卫星卫星3）GPS用户部分GPS接收机 GPS接收机用来接收卫星发来的信号，其内部装有芯片，用来根据卫星信号计算出定位数据。信号接收机的外观如图3-31所示。（a）车载卫星定位接收机 (b)智能车载GPS导航仪 (c)手持GPS接收机 图图3-31 常见的信号接收机常见的信号接收机类型类型应用应用用于用于运动载体运动载体的导航，分为车的导航，分为车载型、航海型、航空型和星载载型、航海型、航空型和星载型型能够实时给出载体的能够实时给出载体的位置位置和和速度速度，价格便宜，应用，价格便宜，应用广泛广泛测地接收机测地接收机定位精度高，仪器结构复定位精度高，仪器结构复杂，价格较贵杂，价格较贵授时接收机授时接收机用于天文台及无线电通讯用于天文台及无线电通讯利用利用GPS卫星提供的高精卫星提供的高精度时间进行授时度时间进行授时 导航接收机导航接收机5、学会使用、学会使用“GPS接收器接收器”GPS接收机是用于接受GPS卫星定位信息的用户设备，其有两大主要用途：定位和导航。GPS12是美国GARMIN公司于1998年推出的全中文接收机，是目前国内市场上的一款主流机型。如图1-1所示内置天线内置天线翻页翻页光标键光标键定位键定位键输入键输入键显示屏显示屏导航键导航键开机键开机键退出键退出键图图1-1（1）定位用GPS接收机定位，详细步骤如下：A:开机接收卫星信号，显示收星画面如图1-2所示地平线卫星编号卫星信号图1-2收星画面是开机后的第一个画面，表示卫星的分布与接收状态。接收到的卫星不能低于3颗，要选屋外无障碍物的地区接收。卫星方位：上北下南，左西右东卫星仰角：中心相当于所处位置正上方，大圆代表地平 线，中间圆为45度仰角卫星编号：图中数字表示地平线上方的卫星，数字反白表示卫星未收到黑框条图：表示接收到的卫星信号的强弱，黑条越高，代表信号越强；如果是白框条，表示该颗卫星正处于跟踪状态；如果黑条和白框条都没有，表示还未收到该星信号。一般来说，圆圈中卫星越靠近中心，接收到的卫星信号越强。如图1-2中接收到10颗卫星，而且信号比较强。B:连续按翻页键或退出键,切换至,如图1-3所示 数据查询画面表示接收点的具体信息。图1-3 航向航向：运动时的方向，它的角度是以正北为0，顺时针逐渐增加，正东为90，正西为270，因此运动时可以椐此判断北的方向。航速航速：为固定显示数据不能更改，当接收卫星后卫星会自动根据你的运动情况测定该值。航程航程：相当于里程表，记录航行过的实际路程。高度高度：显示你所处点的海拔高度。图1-3中高度 是17m 坐标坐标：接收点的经纬度。图1-3中坐标是N323653.9E1205419.2。时间时间：采用卫星钟授时。C：定位键，显示标定位置画面如图1-4所示，图中显示航点编号为005、经纬度为N3203.232，E11845.923等信息图1-4D:移动光标键至航点编号处，按输入键确定，按上下光标键可对航点名称进行重新编号，最后再按输入键确定E:移动光标键选中平均处，平均反白处，按输入键确定，此时机器开始自动平滑，提高定位精度F:误差处为平滑参考值，数字越小，精度越高，待误差处数字固定不变或达到期望值，此时光标在存入处，按输入键，存点完毕。（二）导航（二）导航 GPS接收机不仅可以为你定位，而且可以为你导航，这样不管你是身处浩瀚的沙漠之中，还是在波浪滔天的大海上，都不会为迷失方向而发愁。使用GPS接收机导航，首先要建立航路点，然后才能进行导航。建立航路点建立航路点 第一种方法：按定位键记录各个位置,建立航路点。方法参照上节所述.第二种方法：直接输入经纬度建立航路点A、开机接收卫星信号，显示、开机接收卫星信号，显示收星收星画面画面如图如图1-2所示所示地平线地平线卫星编号卫星编号卫星信号卫星信号图图1-2B、连续按翻页键或退出键，直到显示功能设定画面如图所示图1-5C、移动光标键选中航点,按输入键确定，显示航点画面如图 图1-6 D、移动光标键选中航点编号，按输入键确定，用光标键选择所要的航点编号，按输入键确定，图1-6中确定的是004号航点。E、移动光标键选中经纬度，进行经纬度编辑，输入航路点的经纬度，方法同上，按输入键确定 F、最后移动光标键选中画面下部的完成，按输入键确定，录入完成，回到功能设定画面如图1-5所示地平线地平线卫星编号卫星编号卫星信号卫星信号图图1-2单点导航单点导航图1-8比例设置航迹线图1-9图1-10图1-115、GPS定位原理GPS定位分为静态定位和动态定位。在静态定位,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS接收机所依附的运动物体叫载体（如行走的车辆、航行中的轮船等），载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS的过程中相对地球而运动，接收机可测得运动物体的状态参数（瞬间三维位置和速度）。6、网络GPS在物流中的应用 网络GPS就是指在互联网上建立起来的一个公共GPS监控平台，它同时融合了卫星定位技术、GSM数字移动通信技术以及国际互联网技术等多种目前世界上先进的科技成果。网络GPS综合了Internet与GPS的优势与特色，取长补短，它解决了原来使用GPS所无法克服的障碍 在物流领域、全球卫星定位系统将会越来越普遍地应用于各个环节。网络GPS由网络服务平台（通信系统）、车载终端设备和用户端三部分构成。见图3-33图图3-33 网络网络GPS系统系统 网络GPS对物流产业所起的作用主要表现为：（1）实时监控功能 （2）双向通讯功能 （3）动态调度功能 （4）运能管理 （5）数据存储、分析功能8、其它定位系统介绍、其它定位系统介绍（1）Galileo 背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制 欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的系统。参股共建，收费。阶段：（一）2000年前，可行性评估或定义（二）20012005，开发和检测（三）20062007，部署（四）2008，商业运行首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。权威部门预计：伽利略计划将为欧盟创造万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就可在年至年将获得亿欧元收入第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务。第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有主导权。伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS争夺市场。目的：快速定位、实时导航，简短通讯，精密授时 由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星结构简单定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣地面中心站用户S1S2DS1DS2D1D29、地理信息系统（GIS）概念及特点（1）GIS的概念的概念 地理信息系统(geographical information system，简称GIS)，不同的国家和部门对GIS有不同的解释。我们采用英国教育部的定义：“GIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统”。若从其功能和作用的角度，也可以进行如下定义：地理信息系统是多种学科交叉的产物，它以地理空间数据为基础，采用地理模型分析方法，及时提供多种空间的和动态的地理信息,是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息 凡是与空间位置有关的信息都属于地理信息，在现实生活中所存在的信息有80%是与空间位置有关系的。地理信息是指表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的最显著的标志。地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性。（2）地理信息系统的类型 地理信息系统按其内容可以分为三类：专题地理信息系统（Thematic GIS）区域信息系统（Regional GIS）地理信息系统工具或地理信息系统外壳（GIS Tools）（3）GIS的特点的特点1）具有采集、管理、分析和输出多种地理实体信息的能力，具有空间性和动态性；2）以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息；3）由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。10、GIS的构成的构成GIS一般由五个主要部分构成（见书P116）：（1）系统硬件。（2）系统软件。（3）空间数据 （4）应用人员（5）应用模型 各组成部分之间的关系如图3-36所示图3-36 GIS的构成11、GIS的功能 GIS的基本功能是将表格型数据(无论它来自数据库、电子表格文件或直接在程序中输入)转换为地理图形显示，然后对显示结果浏览、操作和分析。其显示范围可以从洲际地图到非常详细的街区地图，显示对象包括人口、销售情况、运输线路以及其他内容。具体包括以下几个方面：（1）输入（2）处理 （3）管理 （4）查询和分析（5）显示 12、GIS技术在物流中的应用GIS用途十分广泛，例如交通、能源、农林、水利、测绘、地矿、环境、航空、国土资源综合利用等。（1）GIS在仓库规划中的应用 仓库GIS作为仓库MIS中的一个子系统，它用地理坐标、图标的方式更直观地反映仓库的基本情况，如仓库建筑情况、仓库附近公路和铁路情况、仓库物资储备情况等；它是仓库MIS的一个重要分支和补充。（2）GIS在铁路运输中的应用 铁路运输地理信息系统具有环境分析及动态预测、区域规划、客户服务等功能。（3）GIS在物流分析方面的应用 完整的GIS物流分析软件集成了车辆路线模型、最短路径模型、网络物流模型、分配集合模型和设施定位模型等。